2021 Fiscal Year Research-status Report
複数台のドローン・地上機複合システムに対する視覚フィードバック協調制御
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20K04541
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| Research Institution | Kanazawa Institute of Technology |
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Principal Investigator |
村尾 俊幸 金沢工業大学, 工学部, 准教授 (00447038)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平田 研二 富山大学, 学術研究部工学系, 教授 (40314364)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 協調制御 / 位置姿勢制御 / 視覚フィードバック制御 / 複数台ドローン / 複数台地上移動ロボット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，複数台のドローンから得られるカメラ画像を用いた複数台地上移動ロボットの協調制御を，視覚フィードバック制御で行う問題に取り組んでおり，研究全体を通してシステム工学的なアプローチにより安定性や性能に理論的な保証を与えることを目指している．
今年度は，大きく印刷したGoogle Mapの航空画像に対して，地上移動ロボットが建物を避けつつ道路の上のみを走行するように，上空のドローンから得られた視覚情報より目標軌道を生成し，地上移動ロボットに対する位置姿勢制御実験を実施した．具体的には，深層学習のセグメンテーションを用いることでドローンのカメラから得られた画像情報に対して経路を判定し，経路判定した結果から経路探索を行い地上移動ロボットの目標軌道を生成した．また，その目標軌道に追従するように，安定性を保証した位置姿勢制御則を地上移動ロボットに適用し，有用性を検証した．
一方で，実環境で建物などの障害物回避を考えた場合，モデル化されないダイナミクスや未知の入力外乱が，障害物回避を達成するうえでの不確かな要素となって現れてくる．そこで，障害物回避を考慮した地上移動ロボットの位置姿勢制御に対して，入力状態安全制御バリア関数を用いた実時間最適化手法を提案した．具体的には，提案した関数が入力状態安全制御バリア関数となることを示し，入力外乱が存在する場合を想定したうえでの，制御リアプノフ関数も考慮した二次計画問題を定式化し，障害物を回避するという安全性と目標位置姿勢に収束するという安定性を同時に満たす制御手法を提案した．シミュレーション検証と実験検証の両方を通して，提案した制御手法の有用性を検証している．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
視覚情報による複数台ドローンのフォーメーション制御に関しては，実験環境の構築が主となってしまったが，複数台ドローンがそれぞれ得るカメラ画像を一台のPCにリアルタイムで取得することには取り組めている．複数台地上機の協調制御と合わせ，来年度はドローンのフォーメーション制御に対して主に取り組んでいく．
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は，はじめに安全性や最適性を考慮した複数台ドローンのフォーメーション制御に取り組む．特に，ドローンに搭載するカメラに対するカメラモデルを考慮し，GPSや高度センサ等の他のセンサを用いずに視覚情報のみで実現できるフォーメーション制御手法の提案を目指す．今年度に実施した地上移動ロボットに対する制御同様に，Google Mapで得られた航空画像を大きく印刷し，その上を複数台のドローンに対してフォーメーション制御させることを試みる．ドローンの台数や状況によってより広域をカバーできるように，目標フォーメーションを変化させる検証実験も行っていきたい．また，地上移動ロボットに対して今年度提案した，入力状態安全制御バリア関数を用いた実時間最適化手法を，ドローンへ適用することにも試みる．
さらに，時相論理を用いて，障害物や危険区域を避け指定した通過点を経由する，地上機に対する目標値生成手法の構築に取り組む．本研究では，計算負荷の観点から，ロボットの自己位置推定と地図構築を同時に行うSLAM手法の採用を避ける．その代わり，動作中に刻々と変化するシステムの状態に対して静的な性質の成否の時間的な変化に対応可能となる時相論理を用いて目標値を生成し，指定した途中通過点を必ず通る一方で，障害物を避け危険な区域には入らない等の複雑なタスクも陽に設定できる目標値生成手法の実装を目指す．また，地上移動ロボットのダイナミクスに対してデータ駆動型学習手法を導入することで，ロバストで性能の高い地上機の複数台協調制御手法を提案したい．
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| Causes of Carryover |
研究分担者が研究代表者の実験施設も利用し，本研究に係る実験の実施を予定していたため，研究分担者ならびに研究協力学生の旅費，宿泊費として経費を想定していた．しかしながらコロナ禍により訪問が実施できず，研究分担者は理論解析と数値実験を対象とした研究に今年度は集中した．このため，繰り越しをする予算については，来年度に集中して実施する実験のための旅費，宿泊費および必要物品の購入費とする予定である．
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